材料物理性能学习教案.pptx
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1、会计学1材料材料(cilio)物理性能物理性能第一页,共83页。本章本章(bn zhn)(bn zhn)主主要内容要内容l电介质及其极化电介质及其极化(j hu)(j hu)l压电性和热释电性压电性和热释电性l铁电性铁电性第1页/共82页第二页,共83页。1.1.以以电电荷荷长长程程迁迁移移即即传传导导(chundo)(chundo)的的方方式式(可可以以是是电电子子传传导导(chundo)(chundo)、空空穴穴传传导导(chundo)(chundo)和和离离子子传传导导(chundo)(chundo))对对外外电电场作出响应,这类材料即导电材料;场作出响应,这类材料即导电材料;材料对外电
2、场材料对外电场(din chng)(din chng)作用的响应作用的响应2.2.以以感感应应的的方方式式对对外外电电场场作作出出 响响 应应,即即 沿沿 电电 场场 方方 向向(fngxing)(fngxing)产产生生电电偶偶极极矩矩或或电电偶偶极极矩矩的的改改变变,这这类类材材料料称称为为电电介介质质;这这种种现现象象称称为为电电介质的极化。介质的极化。极化极化第2页/共82页第三页,共83页。绝缘体绝缘体电介质电介质 将物质(wzh)分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时,其依据是物质(wzh)的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导(电荷的长程迁移),作为物质(wzh)对外
3、电场的响应,其宏观表现即为电流。根据欧姆定律:J=E,其中J为电流密度,E电场强度,而为电导率张量(二阶对称张量)。电导率反映了物质(wzh)的电荷传输特性或电荷长程迁移特性。第3页/共82页第四页,共83页。物物质质对对外外电电场场的的响响应应除除去去电电荷荷的的传传导导外外,还还有有电电荷荷短短程程运运动动与与位位移移。这这种种电电荷荷的的短短程程运运动动与与位位移移称称为为极极化化(Polarization)(Polarization),其其结结果果是是促促使使正正负负电电荷荷中中心心偏偏移移、从从 而而 产产 生生 电电 偶偶 极极 矩矩。而而 以以 极极 化化 方方 式式 传传 递递
4、(chund)(chund)、储储存存或或记记录录外外电电场场作作用用和和影影响响的的物物质质就就是是电电介介质质。显显然然,电电介介质质中中起起主主要要作作用用的的乃乃是是束束缚缚电电荷荷而而非非自自由由电电荷荷。极极化化可可以以来来自自极极性性晶晶体体或或分分子子的的自自发极化、也可以来自电场的诱导作用。发极化、也可以来自电场的诱导作用。第4页/共82页第五页,共83页。传传导导与与极极化化是是物物质质对对电电场场的的两两种种主主要要响响应应方方式式,它它们们虽虽有有主主次次、但但往往往往同同时时存存在在。当当我我们们主主要要关关注注(gunzh)(gunzh)其其传传导导特特性性时时,将
5、将物物质质分分类类为为绝绝缘缘体体、半半导导体体与与导导体体;而而当当我我们们重重点点关关注注(gunzh)(gunzh)其其极极化化特特性性时时,则则将将物物质质分分类类为为顺顺电电体体、铁铁电电体体、反反铁铁电电体体、压压电电体体、热释电体等电介质。热释电体等电介质。电电介介质质与与绝绝缘缘体体是是相相互互密密切切联联系系、然然而而并并不不能能等等同同的的两两个个概概念念。绝绝缘缘体体肯肯定定是是电电介介质质,但但电电介介质质却却不不仅仅仅仅包包括括绝绝缘缘体体。虽虽然然大大部部分分实实用用电电介介质质材材料料为为绝绝缘缘体体,然然而而半半导导体体甚甚至至金金属属都都有有电电介介质质的的特
6、特性性、只只是是其其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。第5页/共82页第六页,共83页。介介电电材材料料和和绝绝缘缘材材料料是是电电子子与与电电气气工工程程中不可缺的功能材料。中不可缺的功能材料。3.1 3.1 电介质及其极化电介质及其极化平板电容器及其电介质平板电容器及其电介质电电容容 :两两个个临临近近导导体体加加上上电电压压后后存存储储电电荷荷能能力力的的量量度度。是是表表征征电电容容器器容容纳纳电电荷荷的的本本领领的物理量的物理量 电电容容的的单单位位是是法法拉拉,简简称称(jinchng)(jinchng)法法,符符号是号
7、是F,F,毫毫法法(mF)(mF)、微微法法(F)(F)、纳纳法法(nF)(nF)和和皮皮法法(pF)(pF)第6页/共82页第七页,共83页。介电常数1)材料因素:材料在电场中被极化的能力 2)尺寸因素:d 和A:平板间的距离和面积如果平板间为真空:在平行板电容器间放置某些材料,会使电容器存储电荷(dinh)的能力增加,CC0真空介电常数:0=8.8510-12 F.m-1(法拉/米)相对介电常数:r介电常数(电容率):=0r(F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷(dinh)能力的物理量。第7页/共82页第八页,共83页。材料频率范围/Hz相对介电常数二氧化硅玻璃10
8、2-10103.78金刚石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯603.0聚甲基丙烯酸甲酯603.5钛酸钡1063000刚玉609第8页/共82页第九页,共83页。3 3)电介质的极化:)电介质的极化:介介电电材材料料:放放在在平平板板电电容容器器中中增增加加电电容容的材料的材料 电电介介质质:在在电电场场作作用用(zuyng)(zuyng)下下能能建建立极化的物质。立极化的物质。在在真真空空平平板板电电容容器器中中,嵌嵌入入一一块块电电介介质质。加加入入外外电电场场时时,在在正正极极附附近近的的介介质质表表面面感感应应出出负负电电荷荷,负负极极板板附附件
9、件的的介介质质表表面面感感应应出出正正电电荷荷,这些电荷称为感应电荷或束缚电荷。这些电荷称为感应电荷或束缚电荷。极极化化:电电介介质质在在电电场场作作用用(zuyng)(zuyng)产产生束缚电荷的现象。生束缚电荷的现象。+偶极子+自由电荷束缚电荷第9页/共82页第十页,共83页。极化相关的物理量极化相关的物理量1 1)电电偶偶极极矩矩:带带有有等等量量异异号号电电荷荷并并且且相相距距(xingj)(xingj)一一段段距距离的荷电质点,形成电偶极矩。离的荷电质点,形成电偶极矩。对对于于极极性性分分子子电电介介质质,由由于于分分子子的的正正负负电电荷荷中中心心不不重重合合,存存在在电电偶偶极极
10、矩矩;对对于于非非极极性性分分子子电电解解质质,由由于于外外界界作作用用,正正负负电电荷荷中中心心瞬瞬时时分分离离,也也产产生生电电偶偶极极距。距。电偶极子:具有一个正极电偶极子:具有一个正极(zhngj)(zhngj)和一个负极的分子或结构和一个负极的分子或结构.第10页/共82页第十一页,共83页。极化电荷:和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷,不能自由移动,也不能极化电荷:和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷,不能自由移动,也不能离开,总保持电中性。离开,总保持电中性。2 2)极化强度)极化强度(qingd)P(qingd)P:电介质极化程度的量度,单位体积内的电偶极矩,
11、数值上等于分:电介质极化程度的量度,单位体积内的电偶极矩,数值上等于分子表面电荷密度子表面电荷密度;Xe:Xe:电极化率电极化率,不同材料不同材料(cilio)(cilio)具有不同的值。具有不同的值。它和实际有效电场它和实际有效电场(din chng)(din chng)有关,实际电场有关,实际电场(din(din chng)chng)包括包括(1)(1)外加电场外加电场(din chng)(din chng);(2)(2)极化电荷自身极化电荷自身的电场的电场(din chng)(din chng)第11页/共82页第十二页,共83页。可以可以(ky)(ky)证明:证明:所以有:所以有:令电
12、位移令电位移D D为:为:代入得:代入得:在各向同性的电介质中,电位移等于场强的在各向同性的电介质中,电位移等于场强的 倍。倍。第12页/共82页第十三页,共83页。1.1.电子电子(dinz)(dinz)位移位移极化极化无外电场作用无外电场作用+E E-极化极化(j hu)(j hu)机制机制 电电子子位位移移极极化化:在在外外电电场场作作用用下下,原原子子外外围围的的电电子子云云相相对对于于原原子子核核发发生生位位移移,原原子子中中的的正正、负负电电荷荷重重心心产产生生(chnshng)(chnshng)相对位移,形成电矩,称电子的位移极化。相对位移,形成电矩,称电子的位移极化。第13页/
13、共82页第十四页,共83页。特点:特点:1.1.范围:一切气体、液体及固体介质范围:一切气体、液体及固体介质(jizh)(jizh)中中2.2.能能耗耗:具具有有弹弹性性,当当外外电电场场去去掉掉后后,依依靠靠正正、负负电电荷荷间间的的吸吸引引力力,作用中心又马上会重合,对外不显电性。不引起能量损耗作用中心又马上会重合,对外不显电性。不引起能量损耗3.3.与与频频率率关关系系:由由于于电电子子质质量量轻轻,极极化化速速度度快快,10-14-10-1510-14-10-15秒秒,在各种频率的交变电场下均能产生,与频率无关在各种频率的交变电场下均能产生,与频率无关其平均其平均(pngjn)(png
14、jn)极化率为:极化率为:第14页/共82页第十五页,共83页。2.2.离子位移离子位移(wiy)(wiy)极极化化 离离子子位位移移极极化化:电电介介质质中中的的正正负负离离子子在在电电场场作作用用下下发发生生可可逆逆的的弹弹性性位位移移。正正离离子子沿沿电电场场方方向向移移动动,负负离离子子沿沿反反电电场场方方向移动。由此形成向移动。由此形成(xngchng)(xngchng)的极化称为离子位移极化。的极化称为离子位移极化。离离子子在在电电场场作作用用下下偏偏移移平平衡衡位位置置的的移移动动相相当当于于形形成成(xngchng)(xngchng)一个感生偶极矩。一个感生偶极矩。E E第15
15、页/共82页第十六页,共83页。特点特点(tdin)(tdin):1.1.范围:由离子键构成的电介质中范围:由离子键构成的电介质中2.2.能能耗耗:具具有有弹弹性性,当当外外电电场场去去掉掉后后,依依靠靠正正、负负电电荷荷间间的的吸吸引引力力,作作用用中中心心又又马马上上会会重重合合,对对外外不不显显电电性性。有有微微量能量损耗量能量损耗3.3.与频率关系:极化完成时间约为与频率关系:极化完成时间约为l0-12-10-13sl0-12-10-13s。离子离子(lz)(lz)位移极化率:位移极化率:式中:式中:a a为晶格常数;为晶格常数;n n为电子层斥力指数为电子层斥力指数(zhsh)(zh
16、sh),对于离子晶体对于离子晶体 n n为为7-117-11第16页/共82页第十七页,共83页。3 3、松弛极化(驰豫极化)、松弛极化(驰豫极化)1 1).松弛极化松弛极化 当当材材料料中中存存在在着着弱弱联联系系电电子子、离离子子和和偶偶极极子子等等松松弛弛质质点点时时,热热运运动动使使这这些些松松弛弛质质点点分分布布混混乱乱,而而电电场场力力图图使使这这些些质质点点按按电电场场规规律律分分布布,最最后后在在一一定定(ydng)(ydng)的的温温度度下下发发生生极极化化。这这种种极极化化具具有统计性质,叫做松弛极化。有统计性质,叫做松弛极化。2 2).特点特点 松松弛弛极极化化的的带带电
17、电质质点点在在热热运运动动时时移移动动的的距距离离,可可与与分分子子大大小小相相比比拟拟,甚甚至至更更大大。因因此此这这种种极极化化建建立立的的时时间间较较长长(可可达达10-2-10-2-10-910-9秒秒),需要吸收一定,需要吸收一定(ydng)(ydng)的能量,是一种非可逆的过程。的能量,是一种非可逆的过程。3 3).类型类型 松松弛弛极极化化包包括括离离于于松松弛弛极极化化,电电子子松松弛弛极极化化和和偶偶极极子子松松弛弛极极化,多发生在晶体缺陷区或玻璃体内。化,多发生在晶体缺陷区或玻璃体内。第17页/共82页第十八页,共83页。(一)电子松弛(一)电子松弛(sn ch)(sn c
18、h)极化极化电子松弛电子松弛(sn ch)(sn ch)极化是由弱束缚电子引起的极化。极化是由弱束缚电子引起的极化。1.1.弱弱束束缚缚电电子子:晶晶格格的的热热振振动动、晶晶格格缺缺陷陷、杂杂质质的的引引入入、化化学学组组成成的的局局部部改改变变等等因因素素都都能能使使电电子子能能态态发发生生改改变变,出出现现位位于禁带中的局部能级,形成弱束缚电子。于禁带中的局部能级,形成弱束缚电子。2.2.电电子子松松弛弛(sn(sn ch)ch)极极化化:电电介介质质在在外外电电场场作作用用下下,其其中中弱弱联联系系电电子子能能在在一一定定范范围围内内作作定定向向运运动动,造造成成电电荷荷分分布布不不均
19、均匀,引起的极化。匀,引起的极化。外外加加电电场场使使弱弱束束缚缚电电子子的的运运动动具具有有方方向向性性,形形成成极极化化状状态态。这这种种极极化化与与热热运运动动有有关关,也也是是一一个个热热松松弛弛(sn(sn ch)ch)过过 程,所以叫电子松弛程,所以叫电子松弛(sn ch)(sn ch)极化。极化。电电子子松松弛弛(sn(sn ch)ch)极极化化的的过过程程是是不不可可逆逆的的,必必然然有有能能量量的损耗。的损耗。19第18页/共82页第十九页,共83页。(二)离子松弛极化(二)离子松弛极化 离离子子式式电电解解质质在在外外电电场场作作用用下下,其其中中的的弱弱联联系系离离子子能
20、能在在一一个个或或几几个个离离子子范范围围内内作作定定向向运运动动,以以致致内内部部电电荷荷分布不均匀,而引起的极化。分布不均匀,而引起的极化。1 1)强强联联系系离离子子:在在完完整整的的离离子子晶晶体体中中,离离子子处处于于正正常常结结点点,能能量量最最低低,最最稳稳定定,离离子子牢牢固固地地束束缚缚在在结结点点上上,称为强联称为强联系离子。它们在电场作用下,只能产生弹性位移极化。系离子。它们在电场作用下,只能产生弹性位移极化。2)2)弱弱联联系系离离子子:在在玻玻璃璃态态物物质质、结结构构(jigu)(jigu)松松散散的的离离于于晶晶体体中中以以及及晶晶体体的的杂杂质质和和缺缺陷陷区区
21、域域,离离子子本本身身能量较高,易被活化迁移的离子,称为弱联系离子。能量较高,易被活化迁移的离子,称为弱联系离子。弱弱联联系系离离子子的的极极化化从从一一个个平平衡衡位位置置到到另另一一个个平平衡衡位位置置,当当去去掉掉外外电电场场时时,离离子子不不能能回回到到原原来来的的平平衡衡位位置置,因因而而是是不不可可逆逆的的迁迁移移。这这种种迁迁移移的的行行程程比比弹弹性性位位移移距距离离大。大。20第19页/共82页第二十页,共83页。TaTa极化极化(j hu)(j hu)率率 ;q q为离子荷电量;为离子荷电量;为弱离子电场作用下的迁移;为弱离子电场作用下的迁移;温度越高,热运动对质点的规则运
22、动阻碍增强,温度越高,热运动对质点的规则运动阻碍增强,极化率减小。极化率减小。离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级,可离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级,可导致材料导致材料(cilio)(cilio)大的介电常数。大的介电常数。离子离子(lz)松弛极化率:松弛极化率:第20页/共82页第二十一页,共83页。4.4.转向转向(zhunxing)(zhunxing)极化极化(取向取向极化)极化)偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩,但因热运动缘故,它在各方向运动概率相同,故无外电场时它的宏观(hnggun)电矩为零。但有外电场时,由于偶极子要受到转矩的作用,有沿外电场方向排列的趋势,因而呈现
23、宏观(hnggun)电矩,形成极化。这种极化所需时间较长,约10-210-10s,且极化是非弹性的,即撤去外电场后,偶极子不能恢复原状。在极化过程中要消耗能量。转转向向(zhunxing)极极化化主主要要发发生生在在极极性性分分子子介介质质中中。具具有有恒定偶极矩恒定偶极矩的分子称为极性分子。的分子称为极性分子。第21页/共82页第二十二页,共83页。在外场在外场(wichng)不是很高时,取向极化率:不是很高时,取向极化率:无外场无外场(wichng)时的均方偶极距时的均方偶极距 比电子极化大比电子极化大2个数量级,但由于分子质量大,极化建个数量级,但由于分子质量大,极化建立立(jinl)时
24、间慢,约为时间慢,约为10-210-10s。第22页/共82页第二十三页,共83页。5.5.空间电荷极化空间电荷极化(j(j hu)hu)在在不不均均匀匀介介质质中中,如如介介质质中中存存在在晶晶界界、相相界界、晶晶格格畸畸变变(jbin)、杂杂质质、气气泡泡等等缺缺陷陷区区,都都可可成成为为自自由由电电荷荷(电电子子、离离子子)运运动动的的障碍;障碍;在在障障碍碍处处,自自由由电电荷荷积积聚聚,形形成成空空间间电电荷荷极极化化。这这种种极极化化所所需需时时间最长,间最长,约几秒到数十分钟,甚至数十小时。约几秒到数十分钟,甚至数十小时。-+-+-+外电场外电场P第23页/共82页第二十四页,共
25、83页。极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流光频无关无离子位移极化离子结构直流红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化高价金属氧化物直流超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流高频随温度升高而减小有各种极化各种极化(j hu)形式的比较形式的比较第24页/共82页第二十五页,共83页。6 6、自发、自发(zf)(zf)极化极化 是一种特殊的极化方式。自发是一种特殊的极化方式。自发(zf)(zf)极化不是由外极化不是由外加电场引起的,它是
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